Солнечное водонагревание - Solar water heating

Солнечные водонагреватели установлены в Испании

Солнечного нагрева воды ( СВН ) является нагрев воды с помощью солнечного света , используя солнечный коллектор . Доступны различные конфигурации по разной цене, чтобы обеспечить решения для разных климатов и широт. SWH широко используются в жилых и некоторых промышленных помещениях.

Коллектор, обращенный к солнцу, нагревает рабочую жидкость, которая попадает в систему хранения для дальнейшего использования. SWH бывают активными (с накачкой) и пассивными (с конвекцией ). Они используют только воду или и воду, и рабочую жидкость. Они нагреваются напрямую или через светоконцентрирующие зеркала. Они работают автономно или как гибриды с электрическими или газовыми обогревателями. В крупномасштабных установках зеркала могут концентрировать солнечный свет в меньший коллектор.

По состоянию на 2017 год глобальная тепловая мощность солнечной системы горячего водоснабжения (ГВС) составляет 472 ГВт, и на рынке доминируют Китай , США и Турция . Барбадос , Австрия , Кипр , Израиль и Греция являются ведущими странами по вместимости на человека.

История

Реклама солнечного водонагревателя 1902 года.
Солнечный двигатель Фрэнка Шумана на обложке мартовского 1916 года романа Хьюго Гернсбака « Электрический экспериментатор».

Записи о солнечных коллекторах в Соединенных Штатах датируются периодом до 1900 года, включая окрашенный в черный цвет резервуар, установленный на крыше. В 1896 году Кларенс Кемп из Балтимора заключил резервуар в деревянный ящик, создав таким образом первый «водонагреватель периодического действия», который известен сегодня. Фрэнк Шуман построил первую в мире солнечную тепловую электростанцию ​​в Маади, Египет , используя параболические желоба для питания двигателя мощностью от 45 до 52 киловатт (от 60 до 70 лошадиных сил), который перекачивал 23000 литров (6000 галлонов США) воды в минуту из реки Нил в прилегающие хлопковые поля.

Плоские коллекторы для солнечного нагрева воды использовались во Флориде и Южной Калифорнии в 1920-х годах. Интерес к Северной Америке вырос после 1960 года, но особенно после нефтяного кризиса 1973 года .

Солнечная энергия используется в Австралии , Канаде , Китае , Германии , Индии , Израиле , Японии , Португалии , Румынии , Испании , Великобритании и США .

Средиземноморье

Пассивные ( термосифонные ) солнечные водонагреватели на крыше в Иерусалиме

Израиль, Кипр и Греция являются лидерами в использовании солнечных водонагревательных систем на душу населения в 30-40% домов.

Солнечные системы с плоскими пластинами были усовершенствованы и широко использовались в Израиле. В 1950-х годах из-за нехватки топлива правительство запретило нагревать воду с 22:00 до 6:00. Леви Йиссар построил первый прототип израильского солнечного водонагревателя, а в 1953 году основал компанию NerYah, первого в Израиле коммерческого производителя солнечных водонагревателей. К 1967 году солнечные водонагреватели использовались 20% населения. После энергетического кризиса 1970-х годов в 1980 году Израиль потребовал установить солнечные водонагреватели во всех новых домах (за исключением высоких башен с недостаточной площадью крыши). В результате Израиль стал мировым лидером по использованию солнечной энергии на душу населения: 85% домашних хозяйств используют солнечные тепловые системы (3% от первичного национального потребления энергии), что, по оценкам, сэкономит стране 2 миллиона баррелей (320 000 м 3 ). масла в год.

В 2005 году Испания стала первой страной в мире, которая потребовала установки фотоэлектрических систем производства электроэнергии в новых зданиях, и второй (после Израиля) страной, которая потребовала установки солнечных водонагревательных систем в 2006 году.

Азия

Новые солнечные установки для горячего водоснабжения в 2007 году во всем мире

После 1960 года системы продавались в Японии.

В Австралии существует множество национальных и государственных норм и правил для солнечной энергии, начиная с MRET в 1997 году.

Солнечные водонагревательные системы популярны в Китае, где базовые модели начинаются от 1500 юаней (235 долларов США), что примерно на 80% меньше, чем в западных странах для данного размера коллектора. По крайней мере, у 30 миллионов китайских семей есть один. Популярность обусловлена ​​эффективными вакуумными трубками, которые позволяют обогревателям работать даже в сером небе и при температурах значительно ниже нуля.

Требования к дизайну

Тип, сложность и размер солнечной системы водяного отопления в основном определяется:

  • Изменения температуры окружающей среды и солнечной радиации между летом и зимой
  • Изменения температуры окружающей среды при дневном и ночном цикле
  • Возможность перегрева или замерзания питьевой воды или жидкости коллектора.

Минимальные требования к системе обычно определяются количеством или температурой горячей воды, необходимой в зимний период, когда температура воды на выходе системы и на входе обычно минимальна. Максимальная мощность системы определяется необходимостью предотвращения чрезмерного нагрева воды в системе.

Защита от замерзания

Меры по защите от замерзания предотвращают повреждение системы из-за расширения замерзающей перекачиваемой жидкости. Системы слива сливают перекачиваемую жидкость из системы при остановке насоса. Во многих непрямых системах используется антифриз (например, пропиленгликоль ) в теплоносителе.

В некоторых прямых системах коллекторы можно опорожнить вручную, когда ожидается замерзание. Этот подход распространен в климатических условиях, где отрицательные температуры наблюдаются нечасто, но он может быть менее надежным, чем автоматическая система, поскольку полагается на оператора.

Третий тип защиты от замерзания - это устойчивость к замерзанию, когда водопроводные трубы низкого давления из силиконовой резины просто расширяются при замерзании. Один из таких коллекторов теперь имеет аккредитацию European Solar Keymark.

Защита от перегрева

Когда горячая вода не использовалась в течение дня или двух, жидкость в коллекторах и хранилищах может достигать высоких температур во всех системах без дренажа. Когда резервуар для хранения в системе слива достигает желаемой температуры, насосы останавливаются, прекращая процесс нагрева и таким образом предотвращая перегрев резервуара.

Некоторые активные системы намеренно охлаждают воду в накопительном баке путем циркуляции горячей воды через коллектор в периоды, когда мало солнечного света или ночью, теряя тепло. Это наиболее эффективно в прямом или тепловом водопроводе и практически неэффективно в системах, в которых используются вакуумные трубчатые коллекторы из-за их превосходной изоляции. Коллектор любого типа может перегреться. Герметичные солнечные тепловые системы высокого давления в конечном итоге полагаются на работу предохранительных клапанов по температуре и давлению . Нагреватели низкого давления с открытой вентиляцией имеют более простые и надежные средства безопасности, как правило, открытое вентиляционное отверстие.

Системы

Простые конструкции включают простую изолированную коробку со стеклянным верхом с плоским солнечным поглотителем из листового металла, прикрепленным к медным трубам теплообменника и темного цвета, или набор металлических трубок, окруженных вакуумированным (почти вакуумным) стеклянным цилиндром. В промышленных случаях параболическое зеркало может концентрировать солнечный свет на трубе. Тепло хранится в резервуаре для горячей воды . Объем этого бака должен быть больше с системами солнечного отопления, чтобы компенсировать плохую погоду и потому, что оптимальная конечная температура для солнечного коллектора ниже, чем у обычного погружного или пламенного нагревателя. Жидким теплоносителем (HTF) для абсорбера может быть вода, но чаще (по крайней мере, в активных системах) это отдельный контур жидкости, содержащей антифриз, и ингибитор коррозии доставляет тепло в резервуар через теплообменник (обычно змеевик медных трубок теплообменника внутри резервуара). Медь является важным компонентом в системах солнечного нагрева и охлаждения из-за ее высокой теплопроводности, устойчивости к атмосферной и водной коррозии, герметизации и соединения пайкой и механической прочности. Медь используется как в ресиверах, так и в первичных контурах (трубах и теплообменниках для резервуаров с водой).

Еще одна концепция, требующая меньшего обслуживания, - это «обратный слив». Антифриз не требуется; вместо этого все трубопроводы имеют наклон, чтобы вода стекала обратно в резервуар. Резервуар не находится под давлением и работает при атмосферном давлении. Как только насос отключается, поток меняет направление, и трубы опорожняются до того, как может произойти замерзание.

Как работает солнечная система горячего водоснабжения

Гелиотермические бытовые установки делятся на две группы: пассивные (иногда называемые «компактными») и активные (иногда называемые «насосными»). Оба обычно включают в себя вспомогательный источник энергии (электрический нагревательный элемент или подключение к системе центрального отопления на газе или мазуте), который активируется, когда вода в баке опускается ниже минимальной настройки температуры, гарантируя, что горячая вода всегда доступна. Комбинация солнечного нагрева воды и резервного тепла от дымохода дровяной печи может позволить системе горячего водоснабжения работать круглый год в более прохладном климате, без необходимости удовлетворения дополнительных потребностей в тепле солнечной системы водяного отопления за счет ископаемого топлива или электричества.

Когда солнечная система водяного отопления и система центрального водяного отопления используются вместе, солнечное тепло будет либо концентрироваться в резервуаре предварительного нагрева, который подается в резервуар, нагреваемый центральным отоплением , либо солнечный теплообменник заменяет нижний нагревательный элемент. а верхний элемент останется для дополнительного тепла. Однако основная потребность в центральном отоплении возникает ночью и зимой, когда солнечная энергия ниже. Поэтому солнечное нагревание воды для стирки и купания часто является лучшим применением, чем центральное отопление, потому что спрос и предложение лучше согласованы. Во многих климатических условиях солнечная система горячего водоснабжения может обеспечивать до 85% энергии для горячего водоснабжения. Это могут быть бытовые неэлектрические концентрирующие солнечные тепловые системы. Во многих странах Северной Европы комбинированные системы горячего водоснабжения и отопления помещений ( солнечные комбинированные системы ) используются для обеспечения от 15 до 25% энергии для отопления дома. В сочетании с накоплением , крупномасштабное солнечное отопление может обеспечить 50-97% годового потребления тепла для централизованного теплоснабжения .

Теплопередача

Прямой

Прямые системы: (A) Пассивная система CHS с баком над коллектором. (B) Активная система с насосом и контроллером, управляемым фотоэлектрической панелью.

В системах с прямым или открытым контуром питьевая вода циркулирует через коллекторы. Они относительно дешевы. К недостаткам можно отнести:

  • Они практически не обеспечивают защиту от перегрева, если у них нет насоса для отвода тепла.
  • Они практически не защищают от замерзания, если только коллекторы не терпимы к замерзанию.
  • Коллекторы накапливают накипь в районах с жесткой водой, если не используется ионообменный умягчитель.

Появление морозостойких конструкций расширило рынок SWH до более холодного климата. В условиях замерзания более ранние модели были повреждены, когда вода превратилась в лед, разорвав один или несколько компонентов.

Косвенный

В системах с косвенным или замкнутым контуром используется теплообменник для передачи тепла от «жидкого теплоносителя» (HTF) к питьевой воде. Наиболее распространенной HTF является смесь антифриза и воды, в которой обычно используется нетоксичный пропиленгликоль . После нагрева панелей HTF попадает в теплообменник, где его тепло передается питьевой воде. Непрямые системы предлагают защиту от замерзания и, как правило, защиту от перегрева.

Движение

Пассивный

Пассивные системы используют конвекцию с тепловым приводом или тепловые трубы для циркуляции рабочей жидкости. Пассивные системы стоят меньше и не требуют обслуживания или требуют минимального обслуживания, но менее эффективны. Перегрев и замерзание - серьезные проблемы.

Активный

В активных системах используется один или несколько насосов для циркуляции воды и / или теплоносителя . Это позволяет использовать гораздо более широкий диапазон конфигураций системы.

Насосные системы дороже покупать и эксплуатировать. Однако они работают с более высокой эффективностью, и ими легче управлять.

Активные системы имеют контроллеры с такими функциями, как взаимодействие с резервным электрическим или газовым водонагревателем, расчет и регистрация сэкономленной энергии, функции безопасности, удаленный доступ и информативные дисплеи.

Пассивные прямые системы

Интегрированная коллекторная система хранения (ICS)

В интегрированной коллекторной системе хранения (ICS или периодический нагреватель) используется бак, который действует как накопитель, так и коллектор. Нагреватели периодического действия представляют собой тонкие прямолинейные резервуары со стеклянной стороной, обращенной к солнцу в полдень . Они просты и менее дорогостоящие, чем пластинчатые и трубчатые коллекторы, но при установке на крыше (для выдерживания 180–320 кг воды) могут потребоваться распорки, и они страдают от значительной потери тепла в ночное время, так как сбоку лицом к солнцу практически не имеют теплоизоляции и подходят только для умеренного климата.

Система конвекционного накопителя тепла (CHS) похожа на систему ICS, за исключением того, что накопительный бак и коллектор физически разделены, а передача между ними осуществляется за счет конвекции. В системах CHS обычно используются стандартные плоские коллекторы или вакуумные трубчатые коллекторы. Накопительный бак должен располагаться над коллекторами для правильной работы конвекции. Основное преимущество систем CHS по сравнению с системами ICS заключается в том, что в значительной степени исключаются потери тепла, поскольку резервуар для хранения может быть полностью изолирован. Поскольку панели расположены под накопительным баком, потеря тепла не вызывает конвекции, так как холодная вода остается в самой нижней части системы.

Активные непрямые системы

В системах антифриза под давлением используется смесь антифриза (почти всегда малотоксичный пропиленгликоль) и водной смеси для HTF, чтобы предотвратить повреждение от замерзания.

Хотя системы антифриза эффективны для предотвращения повреждений от замерзания, они имеют недостатки:

  • Если HTF становится слишком горячим, гликоль разлагается до кислоты, а затем не обеспечивает защиты от замерзания и начинает растворять компоненты солнечного контура.
  • Системы без дренажных резервуаров должны обеспечивать циркуляцию HTF независимо от температуры резервуара для хранения, чтобы предотвратить деградацию HTF. Избыточные температуры в резервуаре вызывают повышенное накопление накипи и отложений, возможные серьезные ожоги, если клапан темперирования не установлен, и, если он используется для хранения, возможный отказ термостата.
  • Гликоль / вода HTF необходимо заменять каждые 3–8 лет, в зависимости от температуры, которой он подвергался.
  • В некоторых юрисдикциях требуются более дорогие теплообменники с двойными стенками, хотя пропиленгликоль малотоксичен.
  • Несмотря на то, что HTF содержит гликоль для предотвращения замерзания, он направляет горячую воду из накопительного бака в коллекторы при низких температурах (например, ниже 40 ° F (4 ° C)), вызывая значительные потери тепла.

Система обратного слива - это активная непрямая система, в которой HTF (обычно чистая вода) циркулирует через коллектор, приводимый в действие насосом. Коллекторный трубопровод не находится под давлением и включает в себя открытый дренажный резервуар, который находится в кондиционируемом или частично кондиционируемом пространстве. HTF остается в сливном резервуаре, если насос не работает, и возвращается туда (опорожняя коллектор), когда насос выключен. Система коллектора, включая трубопровод, должна сливаться под действием силы тяжести в сливной бак. Сливные системы не подвержены замерзанию и перегреву. Насос работает только тогда, когда это необходимо для сбора тепла, но не для защиты теплоносителя, повышая эффективность и снижая затраты на перекачку.

Сделай сам (DIY)

Планы солнечных водонагревательных систем можно найти в Интернете. Системы DIY SWH обычно дешевле коммерческих, и используются как в развитых, так и в развивающихся странах.

Сравнение

Характерная черта ICS (партия) Термосифон Активный прямой Активный косвенный Слив Пузырьковый насос
Низкопрофильный-ненавязчивый Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY
Легкий коллектор Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY
Выживает в морозную погоду Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY
Низкие эксплуатационные расходы Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY
Просто: нет дополнительных элементов управления Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY
Возможность модернизации существующего магазина Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY
Экономия места: без дополнительного резервуара для хранения Зеленая галочкаY Зеленая галочкаY
Сравнение систем SWH. Источник: Основы солнечного нагрева воды - homepower.com

Компоненты

Коллекционер

Солнечные тепловые коллекторы улавливают и удерживают тепло от солнца и используют его для нагрева жидкости. Два важных физических принципа определяют технологию солнечных коллекторов:

  • Любой горячий объект в конечном итоге возвращается к тепловому равновесию с окружающей средой из-за потерь тепла из-за теплопроводности , конвекции и излучения. Эффективность (доля тепловой энергии, удерживаемой в течение заранее определенного периода времени) напрямую связана с потерями тепла с поверхности коллектора. Конвекция и излучение - важнейшие источники потерь тепла. Теплоизоляция используется для замедления потери тепла от горячего объекта. Это следует Второму закону термодинамики («эффект равновесия»).
  • Тепло теряется быстрее, если разница температур между горячим объектом и окружающей его средой больше. Потери тепла в основном определяются градиентом температуры между поверхностью коллектора и температурой окружающей среды. Проводимость, конвекция и излучение все происходит более быстро на большие температурные градиенты (дельта- т эффект).
Плоский солнечный тепловой коллектор, вид с уровня крыши

Плоская пластина солнечная

Плоские коллекторы являются продолжением идеи поместить коллектор в коробку, похожую на печь, со стеклом, обращенным прямо к Солнцу. Большинство плоских коллекторов имеют две горизонтальные трубы вверху и внизу, называемые коллектором, и множество более мелких вертикальных труб, соединяющих их, называемых стояками. Стояки приварены (или подобным образом соединены) к тонким ребрам абсорбера. Жидкий теплоноситель (вода или смесь воды и антифриза) перекачивается из резервуара для горячей воды или теплообменника в нижний коллектор коллектора, и он перемещается вверх по стоякам, собирая тепло с ребер абсорбера, а затем выходит из коллектора. верхнего заголовка. Змеевидные коллекторы с плоскими пластинами немного отличаются от этой конструкции «арфы» и вместо этого используют одну трубу, которая перемещается вверх и вниз по коллектору. Однако, поскольку они не могут быть должным образом отведены от воды, змеевиковые плоские пластинчатые коллекторы не могут использоваться в системах слива.

Стекло, используемое в плоских коллекторах, почти всегда закаленное стекло с низким содержанием железа . Такое стекло выдерживает значительный град, не разбиваясь, что является одной из причин того, что плоские коллекторы считаются наиболее прочным типом коллекторов.

Неглазурованные или формованные коллекторы похожи на плоские коллекторы, за исключением того, что они не имеют теплоизоляции и не защищены стеклянной панелью. Следовательно, эти типы коллекторов намного менее эффективны, когда температура воды превышает температуру окружающего воздуха. Для обогрева бассейнов вода, которую нужно нагреть, часто бывает холоднее, чем температура окружающей среды на крыше, и в этот момент отсутствие теплоизоляции позволяет отводить дополнительное тепло из окружающей среды.

Вакуумная трубка

Вакуумный трубчатый солнечный водонагреватель на крыше

Вакуумные трубчатые коллекторы (ETC) - это способ уменьшить теплопотери, присущие плоским пластинам. Поскольку потери тепла из-за конвекции не могут пересекать вакуум, они образуют эффективный изолирующий механизм, удерживающий тепло внутри коллекторных труб. Поскольку два плоских стеклянных листа обычно недостаточно прочны, чтобы выдерживать вакуум, вакуум создается между двумя концентрическими трубками. Обычно водяной трубопровод в ETC окружен двумя концентрическими стеклянными трубками, разделенными вакуумом, который пропускает тепло от солнца (для нагрева трубы), но ограничивает потери тепла. Внутренняя трубка покрыта термопоглотителем. Срок службы вакуума варьируется от коллектора к коллектору от 5 до 15 лет.

Коллекторы с плоскими пластинами обычно более эффективны, чем ETC, при ярком солнечном свете. Однако в пасмурных или очень холодных условиях выходная мощность плоских пластинчатых коллекторов снижается немного больше, чем у ETC. Большинство ETC изготавливаются из отожженного стекла, которое подвержено граду и не справляется с частицами размером примерно с мяч для гольфа. ETCs, изготовленные из «коксового стекла», имеющего зеленый оттенок, прочнее и с меньшей вероятностью потеряют свой вакуум, но эффективность немного снижается из-за снижения прозрачности. ETCs могут собирать энергию от солнца в течение всего дня под низкими углами благодаря своей трубчатой ​​форме.

Насос

PV насос

Один из способов для питания активной системы осуществляется через фотоэлектрических (PV) панели . Чтобы обеспечить надлежащую производительность и долговечность насоса, насос постоянного тока и фотоэлектрическая панель должны быть соответствующим образом согласованы. Хотя насос с фотоэлектрическим приводом не работает ночью, контроллер должен следить за тем, чтобы насос не работал, когда солнце выходит, но вода в коллекторе недостаточно горячая.

Насосы PV обладают следующими преимуществами:

  • Более простой / дешевый монтаж и обслуживание
  • Избыточный выход фотоэлектрических модулей можно использовать для бытового использования электроэнергии или вернуть в сеть.
  • Может осушать жилое пространство
  • Может работать при отключении электроэнергии
  • Исключает потребление углерода при использовании насосов с питанием от сети

Пузырьковый насос

Пузырьковый сепаратор системы пузырьково-насосный

Пузырьковый насос (также известный как насос гейзера) подходит как для плоских панелей, так и для вакуумных трубок. В системе пузырьковых насосов замкнутый контур HTF находится под пониженным давлением, что приводит к закипанию жидкости при низкой температуре, поскольку солнце нагревает ее. Пузырьки пара образуют гейзер, вызывая восходящий поток. Пузырьки отделяются от горячей текучей среды и конденсируются в самой высокой точке контура, после чего текучая среда течет вниз к теплообменнику из-за разницы в уровнях текучей среды. HTF обычно поступает в теплообменник при 70 ° C и возвращается в циркуляционный насос при 50 ° C. Перекачивание обычно начинается при температуре около 50 ° C и увеличивается с восходом солнца до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Контроллер

А дифференциального регулятор чувств разница температур между водой , выходящей из солнечного коллектора и воду в резервуаре для хранения вблизи теплообменника. Контроллер запускает насос, когда вода в коллекторе становится на 8–10 ° C теплее, чем вода в резервуаре, и останавливает его, когда разница температур достигает 3–5 ° C. Это гарантирует, что накопленная вода всегда нагревается при работе насоса, и предотвращает частые циклы включения и выключения насоса. (В прямых системах насос может срабатывать с разницей около 4 ° C, потому что у них нет теплообменника.)

танк

Самый простой коллектор - это металлический резервуар, наполненный водой, на солнечном месте. Солнце нагревает бак. Так работали первые системы. Эта установка была бы неэффективной из-за эффекта равновесия: как только начинается нагрев резервуара и воды, полученное тепло теряется в окружающей среде, и это продолжается до тех пор, пока вода в резервуаре не достигнет температуры окружающей среды. Задача состоит в том, чтобы ограничить потери тепла.

  • Резервуар для хранения может быть расположен ниже коллекторов, что дает большую свободу в проектировании системы и позволяет использовать уже существующие резервуары для хранения.
  • Резервуар для хранения можно скрыть от глаз.
  • Резервуар для хранения можно разместить в кондиционируемом или частично кондиционируемом помещении, что снижает потери тепла.
  • Можно использовать сливные баки.

Изолированный бак

ICS или коллекторы периодического действия уменьшают тепловые потери за счет теплоизоляции резервуара. Это достигается за счет помещения резервуара в коробку со стеклянным верхом, которая позволяет солнечному теплу достигать резервуара для воды. Остальные стенки ящика теплоизолированы, что снижает конвекцию и излучение. Коробка также может иметь внутреннюю светоотражающую поверхность. Это отражает тепло, потерянное из бака, обратно в бак. Проще говоря, солнечный водонагреватель ICS можно рассматривать как резервуар для воды, заключенный в своего рода «духовку», которая сохраняет тепло от солнца, а также тепло воды в резервуаре. Использование бокса не исключает потери тепла из бака в окружающую среду, но в значительной степени снижает эту потерю.

Стандартные коллекторы ICS имеют характеристику, которая сильно ограничивает эффективность коллектора: небольшое соотношение поверхности к объему. Поскольку количество тепла, которое резервуар может поглощать от солнца, в значительной степени зависит от поверхности резервуара, непосредственно подвергающейся воздействию солнца, отсюда следует, что размер поверхности определяет степень, до которой вода может быть нагрета солнцем. Цилиндрические объекты, такие как резервуар в коллекторе ICS, по своей природе имеют малое отношение поверхности к объему. Коллекторы пытаются увеличить это соотношение для эффективного нагрева воды. Варианты этой базовой конструкции включают коллекторы, которые сочетают в себе меньшие емкости для воды и технологию откачанных стеклянных трубок, тип системы ICS, известный как коллектор партии откачанных пробирок (ETB).

Приложения

Вакуумная трубка

ETSC могут быть более полезными, чем другие солнечные коллекторы в зимний сезон. ETCs могут использоваться для отопления и охлаждения в таких отраслях, как фармацевтическая и фармацевтическая, бумажная, кожаная и текстильная, а также для жилых домов, больниц, домов престарелых, гостиниц, бассейнов и т. Д.

ETC может работать в диапазоне температур от средней до высокой для солнечной горячей воды, плавательного бассейна, кондиционирования воздуха и солнечной плиты.

Более высокий диапазон рабочих температур ETC (до 200 ° C (392 ° F)) делает их пригодными для промышленных применений, таких как производство пара, тепловые двигатели и солнечная сушка.

Бассейны

Для подогрева бассейна используются системы покрытия плавучих бассейнов и отдельные ПТУ.

Системы покрытия бассейна, будь то сплошные листы или плавающие диски, действуют как изоляция и уменьшают теплопотери. Большая часть тепла теряется из-за испарения, а использование укрытия замедляет испарение.

STC для использования воды в неглубоких бассейнах часто изготавливаются из пластика. Вода в бассейне имеет умеренную коррозию из-за хлора. Вода циркулирует через панели с помощью существующего фильтра бассейна или дополнительного насоса. В мягких условиях неглазурованные пластиковые коллекторы более эффективны в качестве прямой системы. В холодной или ветреной среде вакуумные трубы или плоские пластины в непрямой конфигурации используются вместе с теплообменником. Это снижает коррозию. Довольно простой регулятор перепада температуры используется для направления воды к панелям или теплообменнику путем поворота клапана или управления насосом. Как только вода в бассейне достигает необходимой температуры, используется переключающий клапан для возврата воды непосредственно в бассейн без нагрева. Многие системы сконфигурированы как системы обратного слива, когда вода стекает в бассейн, когда водяной насос выключен.

Панели коллектора обычно монтируются на ближайшей крыше или устанавливаются на земле на наклонной стойке. Из-за низкой разницы температур между воздухом и водой панели часто представляют собой коллекторы или неглазурованные плоские коллекторы. Простое практическое правило для требуемой площади панелей - это 50% площади поверхности бассейна. Это для районов, где бассейны используются только в летний сезон. Добавление солнечных коллекторов к обычному открытому бассейну в холодном климате обычно может продлить комфортное использование бассейна на месяцы и более, если используется изолирующее покрытие для бассейна. При 100% -ном покрытии большинство солнечных систем горячего водоснабжения способны нагревать бассейн от 4 ° C для бассейна, защищенного от ветра, до 10 ° C для бассейна, защищенного от ветра, постоянно покрытого солнечной батареей. одеяло для бассейна.

Активная солнечная энергетическая программа системного анализа может быть использована для оптимизации солнечной системы отопления бассейна , прежде чем он будет построен.

Производство энергии

Прачечная в Калифорнии с панелями на крыше, обеспечивающими горячую воду для стирки.

Количество тепла, доставляемого солнечной системой водяного отопления, зависит в первую очередь от количества тепла, доставляемого солнцем в конкретном месте ( инсоляция ). В тропиках инсоляция может быть относительно высокой, например, 7 кВтч / м 2 в день по сравнению, например, с 3,2 кВтч / м 2 в день в районах с умеренным климатом. Даже на одной и той же широте средняя инсоляция может сильно различаться от места к месту из-за различий в местных погодных условиях и количества облачности. Калькуляторы доступны для оценки инсоляции на участке.

Ниже приведена таблица, которая дает приблизительное представление о технических характеристиках и энергии, которую можно ожидать от солнечной системы водяного отопления, занимающей около 2 м 2 абсорбирующей площади коллектора, демонстрирующей две вакуумные трубы и три плоские солнечные водонагревательные системы. Используются сертификационная информация или цифры, рассчитанные на основе этих данных. В двух нижних строках приведены оценки суточного производства энергии (кВтч / день) для тропического и умеренного климата . Эти оценки предназначены для нагрева воды до температуры на 50 ° C выше температуры окружающей среды.

В большинстве солнечных водонагревательных систем выход энергии линейно зависит от площади поверхности коллектора.

Ежедневное производство энергии (кВт - й .h) из пяти солнечных тепловых систем. Обе системы эвакуационных трубок, используемые ниже, имеют по 20 труб.
Технология Плоская пластина Плоская пластина Плоская пластина ТАК ДАЛЕЕ ТАК ДАЛЕЕ
Конфигурация Прямой активный Термосифон Косвенный активный Косвенный активный Прямой активный
Общий размер (м 2 ) 2,49 1,98 1,87 2,85 2,97
Размер абсорбера (м 2 ) 2,21 1,98 1,72 2,85 2,96
Максимальная эффективность 0,68 0,74 0,61 0,57 0,46
Производство энергии (кВтч / день):
- Инсоляция 3,2 кВтч / м 2 / день ( умеренный )
- например, Цюрих, Швейцария
5,3 3.9 3.3 4.8 4.0
- Инсоляция 6,5 кВтч / м 2 / день (тропический)
- например, Феникс, США
11.2 8,8 7.1 9.9 8,4

Цифры довольно схожи для вышеуказанных коллекторов, производя около 4 кВтч / день в умеренном климате и около 8 кВтч / день в тропическом климате при использовании коллектора с поглотителем 2 м 2 . В умеренном климате этого достаточно, чтобы нагреть 200 литров воды примерно на 17 ° C. В тропическом сценарии эквивалентное нагревание будет примерно на 33 ° C. Многие термосифонные системы имеют выходную энергию, сравнимую с эквивалентными активными системами. Эффективность вакуумных трубчатых коллекторов несколько ниже, чем у плоских пластинчатых коллекторов, потому что поглотители уже, чем трубы, и между ними есть пространство, что приводит к значительно большему проценту неактивной общей площади коллектора. Некоторые методы сравнения рассчитывают эффективность вакуумированных трубчатых коллекторов на основе фактической площади поглотителя, а не занимаемого пространства, как это сделано в приведенной выше таблице. Эффективность снижается при более высоких температурах.

Расходы

В солнечных, теплых местах, где защита от замерзания не требуется, солнечный водонагреватель ICS (периодического действия) может быть рентабельным. В более высоких широтах требования к конструкции для холодной погоды увеличивают сложность и стоимость системы. Это увеличивает начальные затраты, но не увеличивает затраты на жизненный цикл. Поэтому самым важным соображением являются большие первоначальные финансовые затраты на солнечные водонагревательные системы. На компенсацию этих расходов могут уйти годы. Срок окупаемости больше в условиях умеренного климата. Поскольку солнечная энергия бесплатна, эксплуатационные расходы небольшие. В более высоких широтах солнечные обогреватели могут быть менее эффективными из-за более низкой инсоляции, что может потребовать более крупных систем и / или систем с двойным обогревом. В некоторых странах государственные стимулы могут быть значительными.

Факторы затрат (положительные и отрицательные) включают:

  • Цена солнечного водонагревателя (более сложные системы дороже)
  • Эффективность
  • Стоимость установки
  • Электроэнергия используется для откачки
  • Стоимость топлива для нагрева воды (например, газа или электроэнергии), сэкономленная на 1 кВтч
  • Количество использованного водогрейного топлива
  • Первоначальная и / или периодическая государственная субсидия
  • Стоимость технического обслуживания (например, замена антифриза или насоса)
  • Экономия на обслуживании традиционной (электрической / газовой / масляной) системы водяного отопления.

Сроки окупаемости могут сильно варьироваться из-за местного солнца, дополнительных затрат из-за потребностей коллектора в защите от замерзания, использования горячей воды в домашних условиях и т.д. диаграмма для США.

Затраты и сроки окупаемости для бытовых систем SWH с экономией 200 кВтч / месяц (по данным 2010 г.), без затрат на техническое обслуживание, субсидии и затраты на установку
Страна Валюта Стоимость системы Субсидия (%) Эффективная стоимость Стоимость электроэнергии / кВтч Экономия электроэнергии в месяц Срок окупаемости (г)
 Бразилия BRL 2500 0 2500 0,25 50 4.2
 Южная Африка ZAR 14000 15 11900 0,9 180 5.5
 Австралия Австралийский доллар 5000 40 3000 0,18 36 6.9
 Бельгия евро 4000 50 2000 г. 0,1 20 8,3
 Соединенные Штаты доллар США 5000 30 3500 0,1158 23,16 12,6
 Объединенное Королевство Фунт стерлингов 4800 0 4800 0,11 22 18,2

Срок окупаемости меньше при большей инсоляции. Однако даже в регионах с умеренным климатом солнечное нагревание воды является рентабельным. Срок окупаемости фотоэлектрических систем исторически был намного дольше. Затраты и срок окупаемости будут короче, если не требуется дополнительная / резервная система. тем самым продлевая срок окупаемости такой системы.

Субсидии

В Австралии действует система кредитов на возобновляемые источники энергии, основанная на национальных целевых показателях использования возобновляемых источников энергии.

В Торонто Solar Initiative Окрестности предлагает субсидии на приобретение солнечных установок водяного отопления.

Оценка энергетического следа и жизненного цикла

Энергетический след

Источник электричества в активной системе SWH определяет степень, в которой система способствует образованию углерода в атмосфере во время работы. Активные солнечные тепловые системы, которые используют электрическую сеть для прокачки жидкости через панели, называются «низкоуглеродными солнечными батареями». В большинстве систем насос снижает экономию энергии примерно на 8% и экономию углерода от солнечной энергии примерно на 20%. Однако насосы малой мощности работают с мощностью 1-20 Вт. Если предположить, что панель солнечного коллектора выдает 4 кВтч / день, а насос работает с перебоями от электросети в течение 6 часов в течение 12-часового солнечного дня, то потенциально отрицательный эффект такого насоса может быть уменьшен примерно до 3% тепла. произведено.

Однако активные солнечные тепловые системы с фотоэлектрическим приводом обычно используют фотоэлектрическую панель мощностью 5–30 Вт и небольшой диафрагменный или центробежный насос малой мощности для циркуляции воды. Это снижает производственный углеродный и энергетический след.

Альтернативные неэлектрические насосные системы могут использовать тепловое расширение и фазовые превращения жидкостей и газов.

Оценка энергии жизненного цикла

Признанные стандарты могут использоваться для проведения надежных и количественных оценок жизненного цикла (LCA). LCA рассматривает финансовые и экологические затраты на приобретение сырья, производство, транспортировку, использование, обслуживание и утилизацию оборудования. Элементы включают:

  • Финансовые затраты и прибыль
  • Потребление энергии
  • CO 2 и другие выбросы

Что касается потребления энергии, около 60% идет в бак, а 30% - в коллектор (в данном случае плоская пластина термосифона). В Италии около 11 гигаджоулей электроэнергии используется для производства оборудования SWH, причем около 35% идет на резервуар, а еще 35% - на коллектор. Основное влияние, связанное с энергетикой, - это выбросы. Энергия, используемая в производстве, восстанавливается в течение первых 2–3 лет использования (в южной Европе).

Для сравнения, в Великобритании срок окупаемости энергии составляет всего 2 года. Эта цифра относится к прямой системе, модернизированной к существующему водонагревателю, с фотоэлектрическим насосом, морозостойкой и апертурой 2,8 м². Для сравнения, согласно тому же сравнительному исследованию, фотоэлектрической установке потребовалось около 5 лет для достижения окупаемости энергии.

Что касается выбросов CO 2 , значительная часть сэкономленных выбросов зависит от того, в какой степени газ или электричество используются в качестве дополнения к солнцу. Используя 99-балльную систему экологического индикатора в качестве критерия (т.е. годовой нагрузки на окружающую среду среднего европейского жителя) в Греции, чисто газовая система может иметь меньше выбросов, чем солнечная система. Этот расчет предполагает, что солнечная система обеспечивает примерно половину потребности домашнего хозяйства в горячей воде. Но поскольку выбросы метана (CH 4 ) от топливного цикла природного газа значительно превосходят парниковое воздействие CO 2 , чистые выбросы парниковых газов (CO 2 e) от газовых систем намного больше, чем от солнечных нагревателей, особенно если дополнительная электроэнергия также от безуглеродного поколения.

Испытательная система в Италии произвела около 700 кг CO 2 с учетом всех компонентов производства, использования и утилизации. После замены теплоносителя (на основе гликоля) техническое обслуживание было определено как деятельность, требующая больших затрат на выбросы. Однако затраты на выбросы окупились примерно за два года использования оборудования.

В Австралии также были восстановлены выбросы жизненного цикла. Испытанная система SWH имела около 20% воздействия электрического водонагревателя и половину воздействия газового водонагревателя.

Анализируя свою модернизированную морозостойкую солнечную водонагревательную систему с меньшим воздействием, Allen et al. (qv) сообщил о воздействии CO 2 на производство в размере 337 кг, что примерно вдвое меньше воздействия на окружающую среду, указанного в Ardente et al. (qv) исследование.

Спецификация системы и установка

  • Для большинства установок SWH требуется резервный обогрев.
  • Ежедневное количество потребляемой горячей воды необходимо заменить и подогреть. В системе, работающей только на солнечной энергии, потребление большой доли воды в резервуаре подразумевает значительные колебания температуры резервуара. Чем больше резервуар, тем меньше суточный перепад температуры.
  • Системы SWH обеспечивают значительную экономию за счет увеличения затрат на коллекторы и резервуары. Таким образом, наиболее экономически эффективные весы на 100% удовлетворяют потребности помещения в отоплении.
  • Прямые системы (и некоторые косвенные системы, использующие теплообменники) могут быть модернизированы в существующих магазинах.
  • Для достижения всех преимуществ системы компоненты оборудования должны быть изолированы. Установка эффективной теплоизоляции значительно снижает теплопотери.
  • Наиболее эффективные фотоэлектрические насосы запускаются медленно при слабом освещении, поэтому они могут вызвать небольшую нежелательную циркуляцию, пока коллектор холодный. Контроллер должен предохранять накопленную горячую воду от этого охлаждающего эффекта.
  • Массивы вакуумных коллекторов можно регулировать путем удаления / добавления трубок или их тепловых трубок, что позволяет настраивать их во время и после установки.
  • Выше 45 градусов широты солнечные коллекторы, устанавливаемые на крыше, имеют тенденцию превосходить настенные коллекторы. Однако массивы настенных крутых коллекторов иногда могут производить больше полезной энергии, потому что выигрыш в использовании энергии зимой может компенсировать потери неиспользованной (избыточной) энергии летом.

Стандарты

Европа

  • EN 806: Спецификации для установок внутри зданий, транспортирующих воду для потребления людьми. Общий.
  • EN 1717: Защита от загрязнения питьевой воды в установках водоснабжения и общие требования к устройствам для предотвращения загрязнения обратным потоком.
  • EN 60335: Спецификация безопасности бытовых и аналогичных электрических приборов. (2–21)
  • UNE 94002: 2005 Тепловые солнечные системы для производства горячей воды. Метод расчета потребности в тепле.

Соединенные Штаты

  • OG-300: Сертификация OG-300 солнечных водонагревательных систем.

Канада

Австралия

  • Закон о возобновляемых источниках энергии (электричество) 2000 года
  • Закон о возобновляемых источниках энергии (электричество) (плата за крупномасштабную нехватку электроэнергии) 2000 года
  • Закон о возобновляемых источниках энергии (электричество) (плата за маломасштабные технологии) 2010 г.
  • Положение о возобновляемых источниках энергии (электричество) 2001 г.
  • Возобновляемые источники энергии (электроэнергии) Положение 2001 - STC Методика расчета солнечной Водонагреватели и воздушный тепловой насос водонагревателей
  • Поправки к Регламенту о возобновляемых источниках энергии (электроэнергии) (переходное положение) 2010 г.
  • Поправки к Регламенту о возобновляемых источниках энергии (электроэнергии) (переходные положения) 2009 г.

Все соответствующие участники крупномасштабной целевой схемы использования возобновляемых источников энергии и схемы малых возобновляемых источников энергии должны соблюдать вышеуказанные законы.

Использование по всему миру

Солнечная система горячего водоснабжения установлена ​​на недорогом жилом доме в муниципалитете Кога , Южная Африка
Топ стран мира, использующих солнечную тепловую энергию (ГВт т )
# Страна 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г. 2013
1  Китай 55,5 67,9 84,0 105,0 101,5 117,6 - - 262,3
-  ЕС 11.2 13,5 15.5 20,0 22,8 23,5 25,6 29,7 31,4
2  Соединенные Штаты 1.6 1,8 1,7 2.0 14,4 15.3 - - 16,8
3  Германия - - - 7,8 8.9 9,8 10,5 11,4 12.1
4  Турция 5,7 6,6 7.1 7,5 8,4 9,3 - - 11.0
5  Австралия 1.2 1.3 1.2 1.3 5.0 5,8 - - 5,8
6  Бразилия 1.6 2.2 2,5 2,4 3,7 4.3 - - 6,7
7  Япония 5.0 4,7 4.9 4.1 4.3 4.0 - - 3,2
8  Австрия - - - 2,5 3.0 3,2 2,8 3,4 3.5
9  Греция - - - 2,7 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9
10  Израиль 3.3 3.8 3.5 2,6 2,8 2,9 - - 2,9
Мир (GW th ) 88 105 126 149 172 196 - - -

Европейский Союз

Солнечное тепловое отопление в Европейском Союзе (МВт тепл. )
# Страна 2008 г. 2009 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г. 2013
1  Германия 7 766 9 036 9 831 10 496 11 416 12 055
2  Австрия 2268 3031 3 227 2,792 3448 3,538
3  Греция 2 708 2 853 2 855 2 861 2,885 2 915
4  Италия 1,124 1,410 1,753 2152 2380 2,590
5  Испания 988 1,306 1,543 1,659 2,075 2 238
6  Франция 1,137 1,287 1,470 1,277 1,691 1 802
7  Польша 254 357 459 637 848 1,040
8  Португалия 223 395 526 547 677 717
9  Чехия 116 148 216 265 625 681
10   Швейцария 416 538 627 - - -
11  Нидерланды 254 285 313 332 605 616
12  Дания 293 339 379 409 499 550
13  Кипр 485 490 491 499 486 476
14  Соединенное Королевство 270 333 374 460 455 475
15  Бельгия 188 204 230 226 334 374
16  Швеция 202 217 227 236 337 342
17  Ирландия 52 85 106 111 177 196
18  Словения 96 111 116 123 142 148
19  Венгрия 18 59 105 120 125 137
20  Словакия 67 73 84 100 108 113
21 год  Румыния * 66 80 73 74 93 110
22  Болгария * 22 56 74 81 год 58 59
23  Мальта* 25 29 32 36 34 35 год
24  Финляндия * 18 20 23 23 30 33
25  Люксембург * 16 19 22 25 23 27
26 год  Эстония* 1 1 1 3 10 12
27  Латвия * 1 1 1 3 10 12
28 год  Литва * 1 2 2 3 6 8
Общий EU27 + Sw (ГВт- т ) 19,08 21,60 23,49 25,55 29,66 31,39
* = оценка, F = Франция в целом

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки